第8章 应用VHDL语言方法设计简易正弦波信号发生器
【要求】
掌握运用VHDL语言设计正弦波形发生器的基本方法 【知识点】
? 理解函数发生器的含义 ? 理解VHDL设计正弦波形发生器 ? 理解FPGA对D/A的接口和控制技术 【重点和难点】
? VHDL设计正弦波形发生器 ? FPGA对D/A的接口和控制技术
§8.1 工作任务的陈述与背景 一、工作任务
用VHDL语言方法设计一个正弦波形发生器。 基本要求:
①学习VHDL设计正弦波形发生器; ②掌握FPGA对D/A的接口和控制技术。
完成波形发生器的设计、仿真测试及实验系统上的硬件测试。 二、任务背景
自20世纪60年代以来信号发生器有了迅速的发展，出现了函数发生器。作为电子系统的重要组成部分，它广泛地应用在电子技术实验、自动控制系统和其他科研领域。早期的信号发生器多采用模拟电子技术，电路形式有采用运放及分离元件构成，也有采用单片集成函数发生器专用芯片。
但采用模拟电路组成的函数信号发生器，一般可靠性较差，频率输出精度、稳定度低，调节不够精确，设计过程复杂、困难，功能不易扩展，尤其对任意波信号产生较为困难，难以满足科研和高精度实验的需要。现代高精度函数发生器设计采用了EDA技术，不但大大缩短了开发研制周期，提高了设计效率，输出信号频率精度和稳定度有很大提升，而目使系统具有结构紧读、设计灵活、实现简单、性能稳定的特点。 本章着重介绍采用EDA技术，应用VHDL语言，在ALTERA公司的QuartusⅡ软件环境下，完成频率可调的正弦波发生器的程序设计过程，并进行逻辑综合、仿真和硬件下载，产生正弦波信号。
§8.2 完成工作任务的引导 一、资讯
要完成本任务，需要了解以下方面的知识。 1.函数(波形)信号发生器的定义和作用
函数(波形)信号发生器能产生某些特定的周期性时间函数波形(C n1，弦波、方波、二角波、锯齿波和脉冲波等)信号，频率范围可从几个微赫到几十兆赫。函数信号发生器在电路实验、设备检测、通信、宙达、导航、宇航等领域中具有十分广泛的用途。本次设计只是简单完成正弦波输出的功能。
2.直接数字合成器DDS ( Direct Digtal Synthesizer)知识
DDS中变要包括频率控制寄存器、高速相位累加器和正弦计算器二个部分，本次设计参考DDS设计电路结构。
? ①频率变化知识。用户通过输入频率控制码来改变输出信号频率。 ? ②相位变化知识。通过相位累加器根据频率控制码在每个时钟周期内进行
相位累加来改变相位值。 ? ③波形信号产生知识。正弦计算器计算数字化正弦波幅度值，再把幅度值
保在芯片的ROM中。通过查表方式扫描数据输出。 3. DAC控制器的知识
DDS芯片输出的一般是数字化的正弦波，因此还需经过高速D/A转换器和低通滤波器才能得到一个可用的模拟频率信号。使用DAC时要考虑DAC的位数和转换时间。常用的低速八位DAC为DAC0832。 二、计划
采用DDS方式设计波形信号发生器，首先要了解DDS的结构和每个部分的功能，如图8-1所示，本次设计在CPLD/FPGA芯片内部由频率控制字、相位累加器、波形数据ROM二个部分构成，在外部把波形数据循环扫描后输出给DAC转换成模拟信号，通过低通滤波器平滑波形最后输出所需波形。设计中着重完成以下部分内容。
? ①完成频率控制器的设计。此设计可以通过计数器、分频器设计原理完
成。 ? ②相位控制设计。对所查表中每个地址进行数据累加，即可改变信号输出
相位。 ? ③计算正弦波各点的幅度离散值。在此设计中我们把一个正弦波分离成
128个点坐标。由于VHDL只适合整数运算，此各离散值由计算器或公式求出，并存储在ROM中。 三、决策
根据图8-1所示的正弦波信号发生器组成框图，分步完成正弦波信号发生器的设计。其设计步骤可参考如下步骤进行。
? ①设计一个分频器，要求能进行频率调整。 ? ②设计一个相位累加器，相位可以前后移位。 ? ③通过计算求出正弦波128个离散幅值，并进行储存。 ? ④将程序下载至FPGA/CPLD芯片，并和DAC0832连接。 ? 四、实施
? 如图8-1所示，完整的正弦波形发生器由3部分组成。 ? 1.频率控制字设计
? 由于一个完整的波形由128个离散坐标点构成，所以要完整生成一个波
形，则输入时钟需要128个脉冲。从而可得知要输出1 Hz的正弦波，需要128 Hz的时钟，也就是输入输出分频比128/1。若对输出信号频率进行控制，可通过对输入时钟分频来改变频率，分频系数可以改变。
? 在下面实例中，“ clk”为芯片时钟输入端，可由品振提供高稳定度、高精度脉冲信号。“d” 和 “f”为分频系数控制脚，当f = “0”时，d脚每来一次脉冲，则分频系数自动加1;相反，若f = \d脚的脉冲数自动减。
? 图8-2为频率控制的仿真图。clk_o为输出脚进过分频后的时钟信号，该信号可以接入到下一级相位控制部分，然后进行相位调节。 ? 如果仿真结果正确，可以将设计的项目生成一个元件符号备用。其步骤是:选择原理图文件为当前文件后，选择菜单命File → Create/LTpdate →Create Symbol Files for Current File即可。本电路生成的元件符号如图8-3所示。
频率控制程序参考:
process(clk)一基准时钟分频
begin
if clk'event and clk='1' then t0<=t0+tl; end if; end process;
-------------------------------------- process(d,f) ---频率控制字 begin